Регулятор напряжения своими руками

10.05.2016

Причины создания

Планируемое внедрение кондиционера на элементах Пельтье потихоньку движется. Следующим этапом после установки генератора на 135 Ампер стала модернизация регулятора напряжения. Основной проблемой здесь является работа кондиционера на ХХ двигателя. Дело в том, что при шкиве генератора втрое меньшего размера, чем шкив коленчатого вала, при 1000 оборотах двигателя ротор генератора будет вращаться со скоростью в 3000 оборотов минут, что по таблице токоотдачи даст 110 Ампер при 13,5 Вольтах:

В принципе при потреблении 10ю элементами пельте 60 Ампер должно хватить. Однако, я так думаю, эти показания были сняты при подаче на ротор тех самых 13,5 Вольт. И вот здесь мы упираемся в штатный регулятор напряжения, для которого прямо декларируется падение напряжения в 2 Вольта, то есть на ротор пойдёт максимум 11,5 Вольт. Разница в мощности на роторе составит 13,5 * 13.5 / 11,5 * 11,5 = 37%. То есть от 110 Ампер останется уже только 70, из которых 6 уйдёт на сам генератор. А есть ещё и штатные потребители, то есть на кондиционер останется мало тока. Падение 2х Вольт на регуляторе обусловлено применением в нём качестве ключа биполярного транзистора.

Также при модернизации мне хотелось добавить функцию отключения генератора при пуске двигателя. То есть штатно при работе стартера генератор пытается генерировать, при этом расходуя до 6 ампер тока и тормозя коленчатый вал. При отключении же генератора мы получим минимум 10% прирост в скорости вращения коленчатого вала стартером. Основной эффект от этого должен быть зимой, когда аккумулятор работает на грани своих возможностей.

Разработка

Итак, при разработке регулятора напряжения необходимо учесть следующие факторы:

Широкий рабочий диапазон температур от -40 до +80,
Стойкость к скачкам напряжения до 60-80 Вольт,
Стойкость к атмосферным воздействиям,
Стойкость к вибрациям,
Возможность отключения при пуске двигателя,
Малое падение напряжения,
Отсутствие механических элементов.

Одной из альтернативных схем реглятора напряжения является следующая:

Однако у неё следующие недостатки:

Диапазон температур LM393 всего от 0 до +70,
LM393 максимально выдерживает 30 Вольт питания,
Затвор ирф 3205 максимум рассчитан на 10 Вольт, нет защиты на схеме,
ирф 3205 максимум выдерживает 30 Вольт на выводах сток-исток (биполярный транзистор в оригинале рассчитан на 80 Вольт),
полевой транзистор управляется без ключа - это приведёт к его нагреву,
Отсутствует возможность отключения при пуске двигателя,
В схеме присутствует подстроечный резистор - не рекомендую использовать в авто ничего подстроечного,
реле потенциально слабое звено.

Оригинальная схема регулятора напряжения выглядит так:

Принцип работы примитивный - при превышении установленного напряжения ротор отключается, после снижения напряжения ротор вновь подключается. Принцип работы как у поплавковой камеры карбюратора, ну или бачка унитаза. Меня заинтересовали элементы разрядки энергии остаточной индукции ротора - дроссель 7, диод 12 и конденсатор 11. Для этого купил новый регулятор напряжения, за компанию хотел использовать его корпус:

Как вы понимаете, на завод давно пробрались "эффективные" менеджеры и выкинули эти ненужные элементы, оставив только защитный диод:

При этом, сама плата изготовлена у нас - видна качественная пайка (китайцы так не умеют) и покрыта лаком. Впоследствии вскрыл свой оригинальный регулятор напряжения 96 года и узрел те самые защитные элементы:

Те самые защитные элементы, плата покрыта лаком

При это обратите внимание, болт, через который идёт масса ещё и пропаян, в новоделе просто затянута клемма. Ещё из замечаний к новоделу - тонкие провода, идущие на разъём. Максимальный ток на роторе может быть до 6 Ампер, это подразумевает провод сечением 2 кв. мм., или 1,5 мм в диаметре.

В итоге разработал собственную схему:

За основу взял ШИМ step-down стабилизатор lm2576-adj он в своё время себя хорошо зарекомендовал в светодиодных ПТФ. Микросхема TC4420EPA - это ключ, обеспечивает мгновенное переключение полевого транзистора, отчего тот не греется попусту. Транзистор изначально взял CEB4060AL, про него дальше напишу более подробно. Все детали рассчитаны на диапазон от -40 до +80, большинство деталей было куплено в магазине Чип НН. Назначение деталей:

диод д1 - не знаю зачем, в штаном регуляторе должен быть, на напряжение 400 Вольт, ток в 1 Ампер.
резистор р3, конденсатор ц1 и два стабилитрона вд1 и вд2 защищают управляющие микросхемы и затвор полевого транзистора от скачков напряжения. При превышении 16 Вольт откроются стабилитроны и излишек напряжения рассеется на резисторе р3. Мощность резистора 2 Ватта, стабилитроны по 1 Ватту. Конденсатор несколько сот микрофарад на напряжение 50 Вольт
Резисторы р1 и р2 - делитель напряжения, по которому ориентируется стабилизатор. Придётся подбирать по месту.
дд1 - ШИМ стабилизатор изменяет скважность импульсов на полевом транзистор и соответственно на роторе. Имеет хитрый вывод 5, при подаче напряжения на который ШИМ отключается, мы его содиним с реле стартера. Р5 нужен для корректной работы стабилизатора, на этом выводе открытый то ли коллектор, то ли эмиттер.
резистор р4 гарантированно снимает напряжения со входа отключения, то есть микросхема не зависнет в промежуточном состоянии, диод д3 нужен для разрядки напряжения с удерживающей обмотки реле стартера. Диод д2 ограничивает управляющее напряжение.
микросхема дд2 ключ управления полевым транзистором, обеспечивает его мгновенное отключение\включение. Это уменьшает нагрев ключевого транзистора в промежуточных состояниях и соответственно повышает КПД схемы. Конденнсатор ц2 поставил по рекомендации даташита.
резистор р6 гарантированно перекрывает транзистор в непонятных ситуациях.
диодов д4 и д5 два. Так как я использовал UF4007, а они выдерживают до 1 Ампера, в штатной схеме стоит диод на 1,5 Ампера. Они разряжают накопленную в роторе энергию при размыкании цепи.
индуктивность л1 и конденсатор ц3 обеспечивают плавную разрядку ротора без большого скачка в схеме.

Жирным я специально указал траекторию движения максимального тока. От вывода Ш до земли - именно здесь течёт максимальный ток, то есть масса регулятора напряжения - важнейший контакт.

Платы я вырезаю. Мне так удобнее. Вот плата снизу:

И сверху:

Все маломощные резисторы и конденсатор SMD:

Полевой транзистор изначально использовал CEB4060AL - по причине того, что он на затвор держит до 20 Вольт, а на истоке до 60 Вольт относительно стока. Однако при испытаниях током в 6 Ампер - лампочкой ПТФ на 55 Ватт столкнулся с нагревом транзистора. Не будь драйвера, можно было свалить на медленное открытие/закрытие транзистора, но драйвер был. Взялся за куркулятор. Сопротивление канала CEB4060AL 80 миллиОм. Да, много - но это расплата за способность держать высокое напряжение. Итак мощность рассеяния равна 6 Ампер * 6 Ампер * 0,08 Ом = 2,9 Ватта. Похоже на правду. В общем тепловыделение в 3 Ватта можно было бы стерпеть, если бы не одно но. Под капотом запросто может до +80, а в таких условиях дополнительное тепловыделение просто добъёт схему.

Изучил номенклатуру современной электронной промышленности, остановил свой выбор на IRFP3206. Его характеристики: сопротивление канала 3 миллиОма, держит те же самые 20 Вольт на затворе и 60 Вольт на истоке. Минуса 2 - крупнее и дороже. Стоит 160 рублей, регулятор новый я взял за 120 рублей :) :

Опробовал, никакого нагрева. По куркулятору получается 6 Ампер * 6 Ампер * 0,003 Ом = 0,11 Ватта. Другое дело :) Пришлось правда развернуть мордой вниз, а пайка получилось на весу, провода использовал диаметром 1,5 мм:

Пропаянное покрыл цапон-лаком:

Все массивные детали зафиксировал клеем момент:

Сверху также покрыл цапон-лаком:

А вот и готовое устройство. Для надёжности вывел массу дополнительной клеммой, второй вывод управляющий:

Небольшая ложка дёгтя, максимальная скважность lm2576 не менее 95% по даташиту, так и оказалось:

Тем не менее выгода всё равно значительна в сравнении со стоком, да и это ограничение будет достигнуто только при перегрузе генератора. Регулятор установил, все затянутые соединения покрыл цапон-лаком: